Способны ли геомагнитные бури навредить современным ЦОД?

Геомагнитные бури – это явление, возникающее, когда солнечные вспышки взаимодействуют с атмосферой и магнитным полем Земли, что может привести к нарушению работы электроники и энергосистем. Для классификации геомагнитных бурь используется так называемый G-индекс: пятибалльная шкала, в рамках которой слабую геомагнитную бурю обозначают буквенно-цифровым кодом G1, а экстремально сильную – G5.

Формирование геомагнитной бури даже средней силы (G3, третий уровень) способно привести к ложным срабатываниям систем защиты, перебоям в работе спутникового навигационного оборудования и радиосвязи. Иногда подобные явления заставляют энергетические компании в некоторых регионах осуществлять корректировки напряжения в электросети. Геомагнитные бури также способны менять пути миграции птиц и животных, вызывать головные боли, бессонницу и перепады давления у человека.

Для сравнения – «экстремальная» геомагнитная буря пятого уровня (G5) может привести к перегреву или разрушению высоковольтных трансформаторов, что, в свою очередь, может повлечь за собой массовые и длительные отключения электроэнергии.

Очевидно, что такие события несут прямую угрозу инфраструктуре ЦОД, но немногие операторы, проектировщики, строители и владельцы дата-центров при развертывании вычислительной инфраструктуры учитывают соответствующие риски и внедряют меры защиты, связанные с геомагнитными бурями.

Одна из разновидностей ЭМИ

Геомагнитная буря представляет собой один из видов электромагнитного импульса (ЭМИ), то есть быстрого разряда электромагнитной энергии. Геомагнитная буря, также известная как геомагнитное возмущение или геомагнитный ЭМИ, оказывает вторичное воздействие на потребителей электроэнергии, подвергая бизнес-операторов дата-центров рискам, связанным с нарушением работы инфраструктуры и повреждением оборудования.

Три типа ЭМИ (геомагнитный, ядерный и преднамеренный) различаются по своим физическим характеристикам, но каждый из них может представлять опасность для дата-центров, что подтверждается, например, доводами из отчета «Электромагнитный импульс и связанные с ним риски для дата-центров» (Electromagnetic Pulse and Its Risk to Data Centers), опубликованного ранее организацией Uptime Institute. Однако многие операторы ЦОД не включают те или иные разновидности ЭМИ в свои стратегии оценки рисков и не применяют защитные меры.

Сложности при прогнозировании и исторические примеры сильнейших геомагнитных бурь

Астрономы и другие специалисты отслеживают солнечную активность и могут за несколько часов или дней сообщать о событиях, которые могут повлиять на Землю. Долгосрочный прогноз отдельного геомагнитного ЭМИ-события на Земле в настоящее время невозможен.

Солнечные события, которые могут вызвать геомагнитные ЭМИ, происходят часто и хаотично. Выбросы энергии с поверхности Солнца нередко направлены не в сторону Земли, и астрономы могут предсказать угрожающие земной инфраструктуре выбросы только на основе вероятности. Например, событие G5 («экстремальное») обычно достигает Земли один раз в 25 лет.

Такое событие вызвало девятичасовое отключение системы электропередачи канадской государственной энергетической компании Hydro-Québec в 1989 году. Экстремальный геомагнитный ЭМИ повредил 12 трансформаторов в Южной Африке в 2003 году.

Но одним из наиболее мощных явлений такого плана стало Каррингтонское событие, произошедшее в сентябре 1859 года – еще до появления современной электросети. Событие, именуемое самой сильной геомагнитной бурей в истории, вызвало пожары на нескольких телеграфных станциях. Операторы телеграфных станций из разных уголков планеты сообщали о поражении электротоком, возгорании телеграфной бумаги и невозможности эксплуатировать оборудование.

Реальное воздействие геомагнитных ЭМИ на инфраструктуру ЦОД

Из-за низкой частоты геомагнитное ЭМИ наиболее сильно воздействует на электрические проводники протяженностью в несколько километров, включая высоковольтные линии электропередачи, интегрированные в региональную энергосистему.

Возникающий в ходе ЭМИ индуцированный ток ведет себя аналогично постоянному току в системе, рассчитанной на переменный ток. Большинство геомагнитных бурь, включая, например, ряд событий, случившихся в конце лета 2022 года, недостаточно сильны, чтобы вызвать перебои в подаче электроэнергии.

Энергетические компании и операторы инфраструктуры могут компенсировать индуцированные токи, формирующиеся под воздействием слабых ЭМИ, и продолжать поставлять электроэнергию корпоративным клиентам и бытовым потребителям.

Однако дата-центры могут испытывать проблемы с качеством электроэнергии. В частности, с гармоническими искажениями (дефекты формы сигналов переменного тока). Когда электричество передается от высоковольтных линий к потребителям, оно проходит через последовательность трансформаторов, каждый из которых понижает напряжение, но усиливает гармоники.

Большинство систем бесперебойного питания (ИБП) в дата-центрах спроектированы с учетом необходимости некоторой компенсации гармоник и защиты подключенного оборудования, но геомагнитные ЭМИ могут вывести из строя эти средства защиты и таким образом привести к повреждению ИБП или другого оборудования.

Негативное воздействие гармоник внутри дата-центра может вызывать неэффективную работу ИБП, повреждение выпрямителя ИБП, срабатывание автоматических выключателей, перегрев электропроводки, неисправность двигателей в механическом оборудовании (включая, например, критически важные системы кондиционирования воздуха) и, в конечном счете, физическое повреждение ценного IT-оборудования.

Некоторые энергетические компании уже начали устанавливать специальные защитные устройства, чтобы обезопасить собственную инфраструктуру от геомагнитных импульсов, избавляя таким образом своих клиентов от вторичных последствий отключений.

Хранилища дизтоплива

Тем не менее, в случае сильной или экстремально сильной геомагнитной бури все население пострадавшего района, вероятно, столкнется не только с перебоями в электроснабжении. Предприятия и население будут конкурировать за различные ресурсы, включая солярку.

Учитывая риск длительных перебоев в подаче электроэнергии вследствие мощного ЭМИ, возможности резервуаров для хранения дизтоплива рядом с дата-центрами для нужд дизель-генераторов ЦОД, вероятно, будут быстро исчерпаны.

Те операторы дата-центров, которые включают риски, связанные с ЭМИ, в общую стратегию оценки рисков для подконтрольного оборудования, помогают повысить отказоустойчивость инфраструктуры, внедряя собственные средства защиты от ЭМИ. Основная опасность для отдельных дата-центров от геомагнитного ЭМИ – перебои в подаче электроэнергии и гармоники – реализуется через центральную энергосистему. Операторы ЦОД могут управлять этими рисками, отключившись от центральной электросети и работая на резервном электропитании от дизель-генераторов, топливных элементов или другого силового оборудования локального уровня. Увеличение запасов топлива и емкости системы хранения электроэнергии на месте может оказаться целесообразным при подготовке даже к сравнительно слабым геомагнитным бурям.

Подготовка к мощным ЭМИ, возникающим в результате сильной геомагнитной бури, требует дополнительного повышения емкости локальных систем хранения энергии и резервуаров топлива, а также создания распределенной вычислительной инфраструктуры, включающей несколько ЦОД. Если один из ЦОД выйдет из строя, нагрузку удастся сравнительно быстро переключить на другие дата-центры.

Степень осведомленности об ЭМИ как об источнике рисков для дата-центров сегодня быстро растет. Передовая практика защиты от электромагнитных помех еще недостаточно хорошо зарекомендовала себя в отрасли ЦОД, но периодическая оптимизация стратегии оценки рисков позволяет операторам интегрировать обновленную информацию по мере ее появления.